中文摘要：

针对机器人与智能变形飞行器等领域对轻质紧凑、大输出力、高控制精度直线驱动器日益增长的迫切需求，提出"形状记忆合金（SMA）-电机混合直线驱动器"设计概念。通过研究SMA复杂热/力耦合行为及动态本构模型，建立SMA-电机混合直线驱动器的多场耦合系统动力学模型与数值计算方法；分析不同致动、传动、传感、控制单元静动态特性对SMA-电机混合直线驱动器整体动力学性能的影响规律，探究基于力和位移反馈的混合驱动器协调控制机制，从而阐明SMA-电机混合直线驱动器的协同致动机理。构建SMA-电机混合直线驱动器的系统动力学数值计算分析平台和参数化虚拟样机仿真实验平台，结合遗传算法等启发式优化算法，研究其构型综合理论及结构-电气参数多目标优化方法。为研制综合性能优良的SMA-电机混合直线驱动器奠定理论基础，提供技术参考；拓展SMA智能材料应用基础研究范畴，为SMA智能材料驱动器的工程实用化发掘出新的突破口。

结论摘要：

为满足仿生机器人和智能变形飞行器等领域对高性能直线驱动器的迫切需求，本项目提出“形状记忆合金（SMA）-电机混合直线驱动器”设计概念。通过系统的实验测试分析，研究了SMA的复杂热/力耦合行为特性与本构模型，更加全面、精细地刻画了SMA在非完全相变、动态加载等复杂热/力耦合载荷条件下的行为特性。建立了便于工程应用的SMA-电机混合直线驱动器系统动力学模型，并将该模型转化为状态空间模型描述，基于Runge-Kutta算法给出了SMA-电机混合直线驱动器系统动力学特性的数值分析方法，比对研究表明，数值模拟计算结果与实验测试结果吻合良好。通过理论仿真分析与实验测试相结合，进一步阐明SMA-电机混合直线驱动器的构成元部件之间的相互关系及其对整个驱动器输出特性的影响机制。同时，研究了SMA致动单元的高效电热控制方法，并通过测量其电阻变化研究了SMA致动单元变形量的自反馈控制原理，设计了电机-丝杆螺母传动系统的PID伺服控制算法。 针对SMA-电机混合直线驱动器中两组对峙型SMA丝驱动器和两个DC电机的协同控制问题，提出基于SMA应力-温度相图的工作路径规划控制策略，分别给出最大输出力模式和最快输出速度模式两种协调控制机制。同时，利用DC电机控制螺母移动交替自锁，实现SMA丝小位移输出的累积放大，并确保单步移动步长的精确可控。研究了SMA智能材料驱动与电机驱动两种不同驱动方式的串联、并联、混联三种基本混合模式构型及其特点，通过分析比较表明，混联构型模式在位移行程、输出力、控制精度、功重比等方面具有更大的优势。基于混联模式构型设计研制了SMA-电机混合直线驱动器原理实验样机及其电控系统。搭建了测试平台，对该混合直线驱动器的输出特性进行了实验评估。为提高混联式SMA-电机混合直线驱动器的单步位移输出频率，采用轮盘切换机构设计了第二代改进型原理样机，实验结果表明，改进型原理样机将位移输出频率提高了近3倍，可实现10kg以上的输出力，单步位移精度0.007mm。该研究工作为研制综合性能优良的SMA-电机混合直线驱动器奠定了理论基础，提供了技术参考。